在現(xiàn)代煤化工中，由于加壓煤氣化產(chǎn)生的氣體中一氧化碳濃度高、水氣比大，導(dǎo)致變換反應(yīng)絕熱溫升較高，采用傳統(tǒng)多段絕熱變換工藝流程長(zhǎng)、系統(tǒng)阻力較高，裝置投資及占地面積均大大增加；一變催化劑經(jīng)常超溫、使用壽命短，影響正常生產(chǎn)。此外，電石爐氣、黃磷爐氣中CO含量甚至高達(dá)75～90%，這些工況條件下采用傳統(tǒng)變換工藝問(wèn)題將更加嚴(yán)重。高濃度CO對(duì)變換技術(shù)提出了新的需求。
為此，根據(jù)鈷鉬系變換催化劑活性溫區(qū)寬的特性，我們開發(fā)了控溫變換技術(shù)和控溫反應(yīng)器等專利技術(shù)，工業(yè)應(yīng)用表明該技術(shù)是變換工藝的一次技術(shù)突破，具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)和推廣前景，能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。
1 什么是控溫變換
催化劑是CO變換技術(shù)的核心，變換工藝應(yīng)充分發(fā)揮催化劑的各種性能。鈷鉬系變換催化劑在180～480℃具有優(yōu)良活性，充分利用催化劑的有效溫區(qū)，讓變換系統(tǒng)不但完成CO變換功能，而且還要具備氣體凈化功能，如利用催化劑的高溫加氫性能將煤氣中含有后工序難以脫除的復(fù)雜有機(jī)硫轉(zhuǎn)換為易于脫除的硫化氫，有利于后工序氣體凈化。
CO變換反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)平衡常數(shù)隨溫度的升高而減小，在熱力學(xué)上低溫有利于變換反應(yīng)出口的CO濃度降低，通過(guò)降低變換終端反應(yīng)溫度實(shí)現(xiàn)降低CO濃度。另一方面，在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)上，溫度升高，變換反應(yīng)速度常數(shù)增大、反應(yīng)速度加快，在高溫下達(dá)到相同變換率所需催化劑用量少。
因此，對(duì)于CO變換而言，應(yīng)當(dāng)兼顧其熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，在反應(yīng)的不同階段選擇合適的反應(yīng)溫度，既可減少催化劑用量、縮小設(shè)備體積，又能控制出口CO濃度，簡(jiǎn)化工藝過(guò)程、達(dá)到降低設(shè)備投資和節(jié)能降耗的目的。
2 控溫變換技術(shù)
2.1控溫變換反應(yīng)器
（1）控溫變換爐
反應(yīng)器采用了專業(yè)的徑向分布流場(chǎng)設(shè)計(jì)，確保反應(yīng)器內(nèi)氣體均勻分布；
通過(guò)精確的水動(dòng)力計(jì)算達(dá)到移熱快速充分的目的；
通過(guò)準(zhǔn)確的反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，合理分布反應(yīng)溫區(qū)能夠充分發(fā)揮催化劑的各種功能。
催化劑自卸通道流暢、裝卸自如；
反應(yīng)器承壓部件選材合理，避免發(fā)生應(yīng)力開裂，導(dǎo)致反應(yīng)器失效；
反應(yīng)溫區(qū)控制精確，換熱管束應(yīng)能自由伸縮，自應(yīng)力補(bǔ)償，應(yīng)用合理?yè)Q熱管束結(jié)構(gòu)，充分吸收和消除熱應(yīng)力。
（2）自熱式凈化爐
代替變換前脫毒槽、進(jìn)料分離器和粗煤氣預(yù)熱器，徹底解決換熱設(shè)備易堵問(wèn)題。
（3）多段內(nèi)冷激控溫變換爐
開發(fā)了多段內(nèi)冷激式軸向控溫變換爐及工藝技術(shù)，在較低水氣比的工藝氣氛中，利用變換反應(yīng)熱在爐內(nèi)直接噴水汽化冷激、轉(zhuǎn)化為水蒸汽，反應(yīng)器系統(tǒng)熱效率極高。既降低下段床層的入口溫度，又達(dá)到用噴水替代大部分外加水蒸汽的目的。即使在較高CO濃度氣氛下，變換反應(yīng)仍然溫和可控、不可能出現(xiàn)超溫，系統(tǒng)通過(guò)水為載體，能將變換系統(tǒng)的低品位熱回收利用。達(dá)到簡(jiǎn)化流程、節(jié)約能源及降低投資的目的。
2.2 適用于控溫變換的催化劑和凈化劑
優(yōu)異的寬溫活性
有機(jī)硫轉(zhuǎn)化率高
機(jī)械強(qiáng)度高、流動(dòng)性好
熱穩(wěn)定性好
耐不同水汽分壓
2.3 控溫變換工藝
適用于水煤漿的控溫變換工藝
適用于粉煤氣化變換工藝
3 控溫變換工業(yè)應(yīng)用業(yè)績(jī)
新疆天業(yè)二期工程電石爐氣制20萬(wàn)噸乙二醇及18萬(wàn)噸1、4-丁二醇采用控溫變換技術(shù)，針對(duì)該企業(yè)氣體條件和工況要求，在設(shè)計(jì)時(shí)將上述兩種類型控溫變換爐進(jìn)行組合使用，投入運(yùn)行后取得了顯著的效果，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，反應(yīng)溫和可控，并具有變換和凈化雙重功能，完全達(dá)到了各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。
表1 控溫變換爐運(yùn)行數(shù)據(jù)
項(xiàng)目 | 天業(yè)一期 | 天業(yè)二期 |
入爐溫度(℃) | 198 | 195 |
出口溫度(℃) | 217.4 | 211.6 |
進(jìn)口CO含量(%) | 74.0 | 82.0 |
出口CO含量(%) | 31.5 | 15.2 |
阻力( kPa ) | 10 | 6 |
副產(chǎn)蒸汽( kg/h ) | 2740( 2.1MPa ) | 3000 |
不飽和烴轉(zhuǎn)化率% | 92.3 | 99.6 |
有機(jī)硫轉(zhuǎn)化率% | 93.2 | 96.5 |
業(yè)績(jī)表：
新疆天業(yè)2臺(tái)，淮河化工2臺(tái)、新疆帕拉菲1臺(tái)、四川茂縣鑫新能源1臺(tái)、新疆圣雄2臺(tái)，三寧化工1臺(tái)，晉煤中能1臺(tái)。
4 控溫變換設(shè)備制造團(tuán)隊(duì)——江蘇普格機(jī)械有限公司
江蘇普格機(jī)械有限公司具有國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督總局頒發(fā)的 A1、A2 級(jí)壓力容器設(shè)計(jì)、制造許可證，以及美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)頒發(fā)ASME制造許可證 （U鋼?。哂蠭SO9001:2008 質(zhì)量體系管理認(rèn)證、中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量管理體系認(rèn)證及日本、法國(guó)、英國(guó)、韓國(guó)等船級(jí)社認(rèn)證，具有豐富的歐標(biāo)制造業(yè)績(jī)。公司制造技術(shù)精湛，計(jì)劃執(zhí)行力強(qiáng)，檢測(cè)手段齊備，質(zhì)保體系健全。在國(guó)內(nèi)外石油化工、煤化工、化肥、海洋工程、冶金和制藥等行業(yè)享有很好聲譽(yù)。
公司多年來(lái)致力于煤化工領(lǐng)域新技術(shù)、新裝備的開發(fā)研究工作，先后成功制造了煤化工壓力容器的各種核心設(shè)備，如：高壓高溫變換爐、加氫反應(yīng)器、合成反應(yīng)器、等溫反應(yīng)器、低溫洗滌塔、MTO流化床反應(yīng)器和高效換熱設(shè)備。公司設(shè)備加工能力：板材冷卷180mm、熱卷250mm；無(wú)損檢測(cè)探照深度250mm；起吊250噸。
公司自行設(shè)計(jì)完成了控溫變換爐制造的專用機(jī)加工工裝、設(shè)備制造組裝工裝、徑向分布器沖壓工裝等專用設(shè)備，應(yīng)用數(shù)控機(jī)加工平臺(tái)，從根本上保障了設(shè)備的制造品質(zhì)。在該設(shè)備的爐內(nèi)腔不采用任何的填料及大法蘭結(jié)構(gòu)，根據(jù)公司多年的制造經(jīng)驗(yàn)，上述兩種結(jié)構(gòu)裝配難度較大，人為的因素影響很大。設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中如果產(chǎn)生蠕變，緊固件易產(chǎn)生松動(dòng)，從而引起泄露。而控溫變換爐的爐內(nèi)腔，除裝、卸料口以外，其余受壓部件均采用焊接連接，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)、壓力試驗(yàn)來(lái)保證沒(méi)有任何的泄露。設(shè)備管程的換熱管采用整根制造，裝配前逐根試壓，從源頭上杜絕了換熱管的泄露。管頭的與管板的連接采用強(qiáng)度焊加貼脹的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行氦檢漏，保證工藝氣體與管頭焊縫的完全隔離。
典型應(yīng)用業(yè)績(jī)
新疆天業(yè)集團(tuán)有限公司，電石爐尾氣，20萬(wàn)噸乙二醇/年。
安徽晉煤中能化工有限公司，航天爐制氣，25萬(wàn)噸甲醇/年。
新疆天業(yè)集團(tuán)有限公司，6.5MPa水煤漿制氣，30萬(wàn)噸甲醇+5萬(wàn)方氫氣。
湖北三寧化工有限公司，6.5MPa水煤漿制氣，60萬(wàn)噸煤制乙二醇。